专利名称：无线接入网的自主负载均衡的实现方法与装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种无线通信领域，尤其涉及一种无线接入网的自主负载均衡的实现
方法与装置。
背景技术：
随着网络和通信技术的迅猛发展，无线接入网络的发展呈现出大规模、开放、异 构、动态的趋势，不仅设置和配置具有上述特点的无线接入网络耗时、易错，而且部署后系 统中的高层商业目标、外部环境和用户需求等均可能不断发生变化，对系统动态适应这些 变化的能力有更高的要求，如资源的动态配置、服务的动态合成、系统参数的动态校正等。 目前仅依靠网络管理者依据系统状态和高层的管理策略对系统进行配置、诊断、修复和重 配置等，不仅需耗费很高的管理费用，而且，随着网络进一步的发展，也将越来越难以驾驭。 经过长期的研究和实践，人们逐渐意识到，传统的网络管理无法解决网络管理面临的全部 问题，需要寻找新的网络管理体系与方法。 自主管理具有自感知、自配置、自优化、自愈，自保护五大基本属性，能够通过"技 术管理技术"的手段来隐藏系统复杂性，使得系统能够在网络管理者制定的管理策略的指 导下自己管理自己，从而通过减少人类对网络操作的干预而实现操作经费縮减，同时最优 化网络效益和服务质量，有效提高网络运营效能。
自主管理被认为是解决目前日益复杂的网络管理问题的有效方法，但目前针对自
主管理的研究仍停留在概念、需求或框架阶段，尚缺乏对特定类型网络的具体自主管理功
能的针对性研究。 相关现有技术如下 1、中国发明专利申请"自主系统的自主管理系统和方法"(申请号 200410058894. 6)，该发明公开了一种自主系统的自主管理系统和方法。该技术中，当网络 已经具备自主管理自身的能力时，如何决定是由网络自主管理还是由或管理员进行管理， 而不能实现使网络本身具有自主管理能力。 2、中国发明专利申请"用于对网格系统资源进行自主控制的设备、系统和方 法"(申请号200410094747. 4)，该发明公开了用于对网格系统资源进行自主控制的设备、 系统和方法。该技术仅适用于网格系统的资源优化管理，而无法适用于通信网络的自主管理。 3、中国发明专利申请"负载均衡天线"(申请号200580000529. 2)，该发明描述了 一种用于在天线波束之间均衡业务量的系统和方法。该技术仅考虑一个小区的内部的均衡 负载；且不考虑最小化基站的功率。 4、中国发明专利申请"无线演进网络中资源重分配的方法及其装置"(申请号 200610034823. 1)。该技术中，负载均衡基于小区间无线资源的出让或置换实现；且不考虑 最小化基站功率；其负载只考虑在相邻小区间均衡，因此负载均衡能力不强。
5、中国发明专利申请"区域负载控制方法、系统及设备"(申请号200710162709. 1)，该发明涉及无线通信领域，公开了一种区域负载控制方法、系统及设备， 使得整个网络的各个小区的驻留负载能够更为均衡，降低了接入拥塞的可能性。本发明中， 统计各区域中空闲终端的数目，根据所统计得到的各区域中空闲终端的数目对空闲终端进 行负载均衡，也可以由基站对空闲终端进行复制均衡。该技术但只针对空闲终端进行负载 均衡；不考虑最小化基站功率；且负载只考虑在相邻小区间均衡，因此负载均衡能力不强。
发明内容
本发明的目的是针对现有技术的不足，提供一种能够使网络本身实现自主负载均 衡的实现方法及装置。 为解决上述技术问题，本发明提供一种无线接入网的自主负载均衡的实现方法， 其包括 监测数据采集步骤，实时地采集所有基站中的监测数据； 监测数据处理步骤，通过处理所述监测数据判断负载均衡的触发条件是否成立， 若成立则提交负载均衡请求；所述触发条件为当前传输容量超过预设的基站的传输容量 上限； 分析数据采集步骤，接收所述负载均衡请求后，采集参与负载均衡的基站中的分
析数据；所述参与负载均衡的基站为提交负载均衡请求的基站的相邻基站，当一基站提交
负载均衡请求或参与负载均衡时，则不能再接受其它基站发起的负载均衡请求； 负载博弈步骤，利用所述参与负载均衡的基站中的分析数据执行博弈均衡算法，
以均衡过载基站中的负载； 其中，所述监测数据至少包括正在被服务的移动台用户的服务类型，所述分析数 据至少包括正在被服务的移动台与基站间的距离和角度以及正在被服务的移动台用户的 服务类型；所述当前传输容量等于当前正在被服务的各移动台用户需占用的传输容量之 和，各移动台用户需占用的传输容量与其服务类型一一对应。 其中，所述博弈均衡算法的目标是在每个基站都有容量和服务距离上限的条件约 束的情况下，使参与负载均衡的基站总容量最大，并使基站服务距离自己最近的移动台，所 述目标由下式表达<formula>formula see original document page 6</formula>
上面左式为优化目标，右式为约束条件；其中，j = l，... ，n，m表示无线接入网包 含基站个数，&表示第i个基站的传输容量上限，Di表示第i个基站所能覆盖的最远距离， n表示无线接入网包含移动台个数，Cj表示第j个移动台所需要的传输容量，表示第i个 基站到第j个移动台的距离，Xij表示第i个基站是否为第j个移动台提供服务，当第j个 移动台由第i个基站服务时Xij为l，否则为0。
其中，所述博弈均衡算法表示为GLA = (G， Q。， a ， n)
其中，G为博弈结构，其包括
d) 决策主体I :包括参与负载均衡的基站中的n个移动台；
e) 策略空间S :由0/1决策变量Xij组成的集合表示；
f) 收益函数U :<formula>formula see original document page 7</formula>
其中，<formula>formula see original document page 7</formula> Q。为博弈初始状态，即各移动台均选择离自己最近的基站时的状态；
a为主体行为算子，其与最优策略对应；
n表示生成基站的目标覆盖范围的方法； 在博弈均衡算法中，主体行为算子a执行以下算法最优策略通过比较主体j所 有可能策略在当前状态Qn下的对应收益求得，即最优策略为在状态Qn下可以使得主体j获 得最大收益的策略，上述行为称为主体行为算子，具体过程为在状态演化过程中，各主体 将判断当前策略是否是状态Qn下的最优策略，在当前策略非最优时，各主体将比较各自最 优策略对应的收益，最优策略对应收益最大的主体将当前策略变为最优策略，同时系统状 态演化为Qn+1，主体再次判断当前策略是否是状态Qn+1下的最优策略，继续演化，直至所有主 体的当前策略都是状态Q*下的最优策略，则状态Q*为均衡状态，至此完成基站重选；
其中，在所述主体行为算子a执行完后，所述方法还包括按照下列方法n生成基 站目标覆盖范围的步骤 设基站的最大覆盖区域为圆形，将其等分为w个方向，沿区域的径向等间距地将 区域划为K阶，根据离位于中心点的基站的距离由近及远记为1至K阶，形成网状覆盖区；
根据重选后移动台和基站间的对应服务关系，对比基站重选前后移动台与基站的 连接关系令第w个方向上距离基站j最近的退出基站j服务的移动台位于第&阶，令距 离基站j最远的由基站j服务的移动台位于第K2阶；若在第W个方向上没有退出基站j服 务的移动台，则&取l，若在第w个方向上基站j没有服务的移动台，K2取基站重选前基站 j在该方向上的网状覆盖区的阶数K,';本次重选后基站j在第W个方向上的网状覆盖区 的阶数Kjw二max(K「l，ig ; 基站j在第w个方向上的网状覆盖区覆盖半径为基站j至Kjw阶覆盖区外边缘的
径向长度r,，基站j在第w个方向上的目标覆盖半径取"Xrjw，"取l. 135，对上述目标覆
盖半径进行处理以保证其在半径方向上连续平滑，处理后的基站覆盖即为目标覆盖范围。 其中，选用三次样条插值的处理方法对所述覆盖半径进行处理。 本发明还提供了一种无线接入网的自主负载均衡的实现装置，其包括 监测数据采集模块，用于实时地采集所有基站中的监测数据； 监测数据处理模块，用于接收所述监测数据，并通过处理所述监测数据判断负载均衡的触发条件是否成立，若成立则提交负载均衡请求； 分析数据采集模块，用于在接收所述请求后，采集参与负载均衡的基站中的分析 数据； 负载博弈模块，用于利用所述参与负载均衡的基站中的分析数据执行博弈均衡算 法，以均衡过载基站的负载； 基站信息同步模块，用于实现所述装置中的各模块与本地基站中的控制软硬件之 间所有数据的同步； 其中，所述监测数据至少包括正在被服务的移动台用户的服务类型，所述分析数 据至少包括正在被服务的移动台与基站间的距离和角度以及正在被服务的移动台用户的 服务类型。 与现有技术相比，本发明的技术方案具有如下优点本发明通过根据最大化传输 容量、并减小功率消耗的原则执行博弈均衡算法，均衡网络中过载基站的负载，能够减少人 类对网络操作的干预而实现操作经费縮减，并能够实时地发现网络中的负载不均衡，并予 以均衡，从而提升网络容量，有效提高网络运营效能，从而节约能源、减小干扰。
图1是本发明实施例的方法流程图； 图2是本发明实施例的方法中实现负载博弈的流程图； 图3是应用本发明实施例的方法进行负载均衡时，执行负载均衡流程之前的基站 示意图； 图4是应用本发明实施例的方法进行负载均衡时，执行负载均衡流程之后的基站 示意图； 图5是本发明实施例的装置结构图及其使用示意； 图6是本发明实施例的方法中使用的网状覆盖区示意图。
具体实施例方式
下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式
作进一步详细说明。以下实施 例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。 依据本发明实施例的方法提供一种无线接入网的自主负载均衡的实现方法，其流 程图如图l所示，包括 监测数据采集步骤，实时地采集所有基站中的监测数据； 监测数据处理步骤，通过处理所述监测数据判断负载均衡的触发条件是否成立， 若成立则提交负载均衡请求；所述触发条件为当前传输容量超过预设的基站的传输容量 上限； 分析数据采集步骤，接收所述负载均衡请求后，采集参与负载均衡的基站中的分 析数据； 负载博弈步骤，利用所述参与负载均衡的基站中的分析数据执行博弈均衡算法， 均衡过载基站的负载； 其中，所述监测数据至少包括正在被服务的移动台用户的服务类型，所述分析数据至少包括正在被服务的移动台与基站间的距离和角度以及正在被服务的移动台用户的 服务类型；所述当前传输容量等于当前正在被服务的各移动台用户需占用的传输容量之 和，各移动台用户需占用的传输容量与其服务类型一一对应。 自主负载均衡的目标是自主发现网络中出现的负载不均衡，对于有传输容量、覆 盖范围上限的基站组成的无线接入网进行覆盖区域的优化，均衡过载基站的负载以保证最 大化无线接入网系统容量；同时虽然移动通信中无线电波的传输损耗受多种因素影响，但 考虑到负载均衡是在一定区域内进行，移动台周围环境相似(如，都为城市或农村)，因此
将距离带来的自由空间传输损耗、 <formula>formula see original document page 9</formula>
作为影响基站总功率的主导因素，基站i服务
移动台j需要的功率Pij与基站i与移动台j之间的距离的平方成正比，因此尽可能服 务距离基站近的移动台，可减小基站功率，以减小对其他基站的干扰并节约能源。上述目标 由下式表达<formula>formula see original document page 9</formula>
上面左式为优化目标，右式为约束条件。其中，j = 1， ... ， n， m表示无线接入网
包含基站个数，&表示第i个基站的传输容量上限，Di表示第i个基站所能覆盖的最远距 离，n表示无线接入网包含移动台个数，Cj表示第j个移动台所需要的传输容量，表示第 i个基站到第j个移动台的距离，Xij表示第i个基站是否为第j个移动台提供服务，当第j 个移动台由第i个基站服务时Xij为l，否则为0。 本发明的方法设计负载博弈算法以实现上述优化目标，流程图参见图2，执行该博 弈的博弈均衡算法(Game Load Algorithm, GLA)为一个4元组，所其可以表示为GLA = (G，
Q0， a ，
n)
其中，G为博弈结构，该结构包括
a) 决策主体I :包括参与负载均衡的基站中的n个移动台
b) 策略空间S :由0/1决策变量Xij组成的集合表示； C)收益函数U :
<formula>formula see original document page 9</formula>
其中，Dm
max (Di);
Q。为博弈初始状态，即各主体选择可以获得最大距离收益的基站，以此形成初始 状态Q。，这是主体进行博弈演化的起点。 a为主体行为算子，决策主体具备经济理性，始终追求自身收益的最大化，因此主 体在演化中将总以最优策略对应，最优策略通过比较主体j所有可能策略在当前状态Qn下 对应收益求得，即最优策略为在状态Qn下可以使得主体j获得最大收益的策略，上述行为 称为主体行为算子，具体过程为在状态演化过程中，各主体将判断当前策略是否是Qn下的 最优策略，在当前策略非最优的各主体间将比较各自最优策略对应收益，最优策略对应收 益最大的主体将改变当前策略为最优策略，同时系统状态演化为Qw，主体再次判断当前策
略是否是Qn+1下的最优策略，继续演化，直至所有主体的当前策略都是状态Q*下的最优策 略，则状态9*为均衡状态。
移动台完成基站重选后，根据基站服务移动台的对应关系，按照如下方法n生成
目标覆盖范围 将基站的最大覆盖区域等分为W个方向，每个方向上等间距的划为K阶，根据与基 站的距离由近及远记为l至K阶，形成网状覆盖区。 对比负载重分配前和分配方案中移动台与基站的连接关系若第W个方向上距离 基站j最近的退出基站j服务的移动台位于第&阶(若基站j在第W个方向上没有退出服 务的移动台&取1)，距离基站j最远的由基站j服务的移动台位于第K2阶(若基站j在第 w个方向上没有服务的移动台，K2取负载重分配前基站j在该方向上的网状覆盖区阶数)， 基站j在第w个方向上的网状覆盖区阶数Kj、 = max(K「l，!Q ，基站j在第w个方向上的网 状覆盖区覆盖半径为基站j至Kjw阶覆盖区外边缘的径向长度rjw。基站j在第w个方向上 的目标覆盖范围半径取"Xrjw。 一般认为基站间交叠深度为0. 27R较为合理，因此建议" 取1. 135。为保证随后进行的方向图综合可以得到稳定、收敛的解，需对上述基站目标覆盖 半径进行处理以保证其在方向上连续平滑，如可选用三次样条插值的处理方法。处理后的 基站覆盖即为目标覆盖范围。
下面举例说明上述方法 如图3所示，虚线为各基站的最大覆盖范围、六边形为目前的实际覆盖范围，图中 的实心大圆点为无效区域，基站1、2、3的服务量分别是5、3、4个移动台(图中的实心小圆 点)。以下是自主负载均衡流程
a.对基站1、2、3实时采集、处理监测数据； b.基站1容量超过上限(假设容量上限定为4)，触发本装置运行； c.从基站1、2、3获取分析数据(包括移动台位置信息(移动台与基站间的距离和
角度)以及移动台的服务类型)； d.处理分析数据，开始负载博弈(各基站的移动台开始根据自身收益进行基站重 选，当前连接基站1的移动台，由于基站1过载，因此得到的收益为负数，所以需要选择其它 基站以提高自身收益)； e.负载博弈结束，产生优化覆盖范围(博弈结束后，原选择基站l的移动台l选择
基站2，可以获得更大的收益，因此作出重选)； f.向基站1、2、3下发各基站的优化的覆盖范围； g.基站1、2、3形成新的覆盖范围(该优化覆盖范围的调整，可以由广播时隙智能天线灵活赋形得到，即根据基站目标覆盖范围在不同方向上的覆盖距离，生成天线阵列 目标空间辐射方向图，利用阵列方向图综合技术生成阵元加权系数逼近目标空间辐射方向 图。具体来说根据当前负载量地理分布情况由本算法生成基站目标覆盖范围(即哪个用 户由哪个基站服务)，随后调节公共信道波束天线加权系数逼近目标覆盖范围，实现负载均 衡。 同时，本发明还提供了一种无线接入网的自主负载均衡的实现装置如图5所示， 其包括 监测数据采集模块与基站信息同步模块相连，并通过它实时采集相关的监测数 据，包括当前正在被服务的移动台用户的服务类型；与监测数据处理模块相连，为其提供监 测数据。
监测数据处理模块与监测数据采集模块相连，从它获得监测数据，通过对监测数
据的处理判断自主负载均衡的触发条件是否成立，触发条件为当前传输容量超过门限容
量(如，基站的最大传输容量的80% )满足触发条件将提交负载均衡请求。 基站信息同步模块与监测数据采集模块、分析数据采集模块、负载博弈模块相
连，用于实现各模块与本地基站中的控制软件和硬件之间管理信息的同步和分析、监测数
据的获取。 分析数据采集模块与基站信息同步模块相连，接收负载均衡请求后，通过基站信
息同步获取各参与负载均衡的基站的分析数据，包括移动台位置信息(移动台与基站间的
距离和角度)以及移动台的服务类型；与负载博弈模块相连，为其提供分析数据。
管理员交互模块实现本装置与管理员间的信息交换。与负载博弈模块相连，获取
其生成的优化配置结果。 负载博弈模块与分析数据采集模块相连，获取分析数据；与基站信息同步模块 和管理员交互模块相连，提供其生成的优化配置结果。 以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人 员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变型，这些改进和变型 也应视为本发明的保护范围。
1权利要求
一种无线接入网的自主负载均衡的实现方法，其特征在于，所述方法包括监测数据采集步骤，实时地采集所有基站中的监测数据；监测数据处理步骤，通过处理所述监测数据判断负载均衡的触发条件是否成立，若成立则提交负载均衡请求；所述触发条件为当前传输容量超过预设的基站的传输容量上限；分析数据采集-￥骤，接收所述负载均衡请求后，采集参与负载均衡的基站中的分析数据；所述参与负载均衡的基站为提交负载均衡请求的基站的相邻基站，当一基站提交负载均衡请求或参与负载均衡时，则不能再接受其它基站发起的负载均衡请求；负载博弈步骤，利用所述参与负载均衡的基站中的分析数据执行博弈均衡算法，以均衡过载基站中的负载；其中，所述监测数据至少包括正在被服务的移动台用户的服务类型，所述分析数据至少包括正在被服务的移动台与基站间的距离和角度以及正在被服务的移动台用户的服务类型；所述当前传输容量等于当前正在被服务的各移动台用户需占用的传输容量之和，各移动台用户需占用的传输容量与其服务类型一一对应。
2. 如权利要求l所述的无线接入网的自主负载均衡的实现方法，其特征在于，所述博 弈均衡算法的目标是在每个基站都有容量和服务距离上限的条件约束的情况下，使参与负 载均衡的基站总容量最大，并使所述基站服务于距离自己最近的移动台，所述目标由下式 表达<formula>formula see original document page 2</formula>上面左式为优化目标，右式为约束条件；其中，j = 1， . . . ， n， m表示无线接入网包含基 站个数，&表示第i个基站的传输容量上限，Di表示第i个基站所能覆盖的最远距离，n表 示无线接入网包含移动台个数，c,.表示第j个移动台所需要的传输容量，di,.表示第i个基站到第j个移动台的距离，Xij表示第i个基站是否为第j个移动台提供服务，当第j个移 动台由第i个基站服务时Xij为l，否则为0。
3.如权利要求l所述的无线接入网的自主负载均衡的实现方法，其特征在于，所述博 弈均衡算法表示为GLA = (G， Q。， a ， n)其中，G为博弈结构，其包括a)决策主体I :包括参与负载均衡的基站中的n个移动台；b)策略空间S:由0/l决策变jC)收益函数U :Xi,.组成的集合表示；<formula>formula see original document page 3</formula>Q。为博弈初始状态，即各移动台均选择离自己最近的基站时的状态； a为主体行为算子，其与最优策略对应； n表示生成基站的目标覆盖范围的方法；在博弈均衡算法中，主体行为算子a执行以下算法最优策略通过比较主体j所有可能策略在当前状态Qn下的对应收益求得，即最优策略为在状态Qn下可以使得主体j获得最大收益的策略，上述行为称为主体行为算子，具体过程为在状态演化过程中，各主体将判断当前策略是否是状态Qn下的最优策略，在当前策略非最优时，各主体将比较各自最优策略对应的收益，最优策略对应收益最大的主体将当前策略变为最优策略，同时系统状态演化为Qn+1，主体再次判断当前策略是否是状态Qn+1下的最优策略，继续演化，直至所有主体的 当前策略都是状态Q*下的最优策略，则状态Q*为均衡状态，至此完成基站重选。
4. 如权利要求3所述的无线接入网的自主负载均衡的实现方法，其特征在于，在所述 主体行为算子a执行完后，所述方法还包括按照下列方法n生成基站目标覆盖范围的步骤设基站的最大覆盖区域为圆形，将其等分为W个方向，沿区域的径向等间距地将区域 划为K阶，根据离位于中心点的基站的距离由近及远记为1至K阶，形成网状覆盖区；根据重选后移动台和基站间的对应服务关系，对比基站重选前后移动台与基站的连接 关系令第W个方向上距离基站j最近的退出基站j服务的移动台位于第&阶，令距离基 站j最远的由基站j服务的移动台位于第K2阶；若在第W个方向上没有退出基站j服务的移动台，则&取l，若在第w个方向上基站j没有服务的移动台，K2取基站重选前基站j在该方向上的网状覆盖区的阶数Kj/ ;本次重选后基站j在第W个方向上的网状覆盖区的阶数Kjw = max(K「1， K2);基站j在第w个方向上的网状覆盖区覆盖半径为基站j至Kjw阶覆盖区外边缘的径向 长度r^，基站j在第w个方向上的目标覆盖半径取"Xrjw，"取l. 135，对上述目标覆盖 半径进行处理以保证其在半径方向上连续平滑，处理后的基站覆盖即为目标覆盖范围。
5. 如权利要求4所述的无线接入网的自主负载均衡的实现方法，其特征在于，选用三 次样条插值的处理方法对所述覆盖半径进行处理。
6. —种无线接入网的自主负载均衡的实现装置，其特征在于，所述装置包括 监测数据采集模块，用于实时地采集所有基站中的监测数据；监测数据处理模块，用于接收所述监测数据，并通过处理所述监测数据判断负载均衡 的触发条件是否成立，若成立则提交负载均衡请求；分析数据采集模块，用于在接收所述请求后，采集参与负载均衡的基站中的分析数据；负载博弈模块，用于利用所述参与负载均衡的基站中的分析数据执行博弈均衡算法， 以均衡过载基站的负载；基站信息同步模块，用于实现所述装置中的各模块与本地基站中的控制软硬件之间所 有数据的同步；其中，所述监测数据至少包括正在被服务的移动台用户的服务类型，所述分析数据至 少包括正在被服务的移动台与基站间的距离和角度以及正在被服务的移动台用户的服务 类型。
全文摘要
本发明公开了一种无线接入网的自主负载均衡的实现方法与装置。该方法包括实时地采集所有基站中的监测数据；通过处理所述监测数据判断负载均衡的触发条件是否成立，若成立则提交负载均衡请求；接收所述请求后，采集参与负载均衡的基站中的分析数据；负载博弈步骤，利用所述参与负载均衡的基站中的分析数据执行博弈均衡算法，以均衡过载基站中的负载。本发明的技术方案实现了网络负载均衡，能够减少人类对网络操作的干预而实现操作经费缩减，并能够实时地发现网络中的负载不均衡，并予以均衡，从而提升网络容量，有效提高网络运营效能。
文档编号H04W24/00GK101784061SQ20091023796
公开日2010年7月21日 申请日期2009年11月19日 优先权日2009年11月19日
发明者亓峰, 孟洛明, 张恒, 王颖, 邱雪松, 高志鹏 申请人:北京邮电大学